双闭环调速系统调节器设计及
matlab 仿真验证
1 设计内容及要求
1.1 初始条件:
不可逆的生产设备,采用双闭环调速系统,其整流装置采用三相桥式整流电路, 系统的基本数据如下:
直流电动机:750nom U V =, 760nom I A =, 375min nom n r =, 1.82min e C V r =, 允许过载倍数1.5λ=;时间常数:0.031L T s =, 0.112m T s =;晶闸管放大倍数:
75s K =;
主回路总电阻:0.14R =Ω; 额定转速时的给定电压 *10n U V =, 调节器 ASR 、ACR 饱和输出回路电压
*
10im U V =, 10cm U V =。

1.2 设计要求
稳态指标:稳态无静差。

动态指标:电流超调量5%i σ≤, 空载启动到额定转速时的转速超调量10%n σ≤。

求
2 双闭环直流调速系统的工作原理
转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。

对于经常正、反转运行的调速系统,在起动(或制动过程中,希望始终保持电流为允许的最大值,使调速系统以最大的加(减速运行。

当达到稳态转速时, 最
好使电流立即降下来, 使电磁转矩与负载转矩相平衡, 从而迅速转入稳态运行。

采用单闭环调速系统是无法实现的, 因而只能采用转速和电流两个调节器。

2.1双闭环直流调速系统的组成
为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流负反馈以调节转速和电流, 二者之间实行嵌套连接。

如下图所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入, 再用用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 。

由于题目要求稳态无静差, 因而调节器必须采用相应的积分器调节器, 故相应转速环采用 PI 调节器进行调节。

同时电流内环也采用相应的 PI 调节器也能实现很好的动、静态特性。

2.2双闭环直流调速系统的数学模型
通过相应处理可以得到相应的双闭环直流调速系统的动态结构图如下:
+-
其中 ( ASR W s 和 ( ACR W s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递环视。

为了引出电流反馈,在动态结构图中引出相应的电枢电流 d I ,而α表示转速反馈系数, β表示电流反馈系数。

2.3双闭环直流调速系统的动态分析 2.
3.1起动过程分析
从电流与转速变化过程所反映出的特点可以将起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段:
电流上升阶段:突加给定电压 *n U 后, 经过两个调节器的跟随作用, c U 、 0d
U 、
d I 均上升,但是在 d I 没有达到负载电流 dL I 以前,电动机还不能转动。

当 d dL I I ≥后,电动机开始起动,由于几点惯性的作用,转速不会很快增长,因而转速调节
器 ASR 的输入偏差电压 (*
c n n U U U ∆=- 的数值仍较大, 其输出电压保持限幅值 *im U , 强迫电枢电流
d I 迅速上升直到d dm I I ≈, *
i im
U U ≈, 电流调节很快就压制了 d I 的增长。

该阶段结束,此阶段中, ASR 很快进入并保持饱和状态,而 ACR 一般不饱和。

恒流升速阶段:此阶段中, ASR 始终是饱和的,转速换相当于开环,系统成为在恒值电流给定下的电流调速系统, 基本上保持电流很定, 因而系统加速度恒定,转速呈线性增长。

转速调节阶段:当转速上升到给定值是,转速调节器 ASR 的输入偏差为零, 但其输出却由于积分作用还维持在限幅值,所以电动机仍在加速,使转速超调。

转速超调后, ASR 输入偏差为负,使它开始推出饱和状态,电动机开始在负载的阻力下调速,直到稳态。

此阶段中, ASR 和 ACR 都不饱和, ASR 起主导的转速调节作用,而 ACR 则力图使 d I 很快地跟随其给定值 *i U 。

起动过程归纳的特点有:(1饱和非线性控制 (2转速超调(3准时间最优控制
2.3.2动态抗扰性能分析
一般来说, 对于调速系统, 一个重要的动态性能就是抗扰性能, 主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。

抗负载扰动:负载扰动作用在电流环后, 因而只能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰动作用。

抗电网电压扰动:在双闭环调速系统中, 由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小的多。

2.3.3双闭环调速系统调节器作用
(1转速调节器
转速调节器是调速系统的主导调节器,它使转速 n 很快的跟随给定电压变化,稳态时可以减小转速误差,若采用 PI 调节器,则可以实现无静差。

对负载变化起抗扰作用。

其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

(2电流调节器的作用
作为内环的调节器, 在转速外环的调节过程中, 它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 *
i
U (即外环调节器的输出量变化。

对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

在转速动态过程中, 保证获得电动机允许的最大电流, 从而加快动态过程。

当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用。

一旦故障消失,系统立即自动恢复正常。

3双闭环直流调速系统的设计
对于双闭环直流调速系统,可以按照工程设计方法设计转速、电流调节器。

原则是先内环后外环。

步骤是:先从电流环(内环开始,对其进行必要的变换和近似处理, 然后根据电流环的控制要求确定把它校正成那一类典型系统。

电流环设计完成后,把电流环等效成转速环(外环中的一个环节,再用同样的方法设计转速环。

2.1电流调节器的设计
下图所示是电流环的动态结构图:
实际上,反电动势与转速成正比,它代表对电流环的影响。

在一般情况下, 系统的电磁时间常熟远小于机电时间常熟,因此转速的变化往往比电流慢很多。

对电流环来说, 反电动势是一个变化较慢的扰动, 在电流的瞬变过程中, 可以认为反电动势基
本不变。

这样, 在按动态特性设计电流环时, 可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。

(1 确定时间常数
①整流装置滞后时间 s T 的确定。

查书上表 2-2可以知道,三相桥式电路的平均失控时间为 0.0017s s T =。

②电流滤波时间常数 oi T 的确定。

三相桥式整流电路的每个波头的时间
3.3ms ,为了基本滤平波头,应有 (12 3.33oi T ms = , 因此取 20.002oi T ms s ==。

③由于 s T 和 oi T 一般都比 l T 小的多,可以当做小惯性群近似地看作是一个惯性环节时间常数为0.0037i s oi T T T s ∑=+=
(2 选择电流调节器结构
根据设计要求5%i σ≤, 并保证稳态电流无差, 因而可以按照典型Ⅰ型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的,因此可用 PI 型电流调节器。

其传递函数如下:
由此可以得到电流环开环传递函数
由于L i T T ∑ , 因而可选取调节器的0.031i L T s τ==以消除控制对象中大惯性
(1
( i i ASR i K s W s s
ττ+=
(1 ( (1(1
i i s opi i L i K s K R
W s s T s T s τβτ∑+==
++
环节，以便校正成典型Ⅰ型系统，因此相应的可以得到校正后的系统的传递函数如下 Wopi ( s = Ki β K s R Ki KI = = τ i s (TΣi s + 1 TL s (TΣi s + 1 s (TΣi s + 1 （3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τ i = TL = 0.031s 。

电流开环增益：由于题设要求电流超调量σ i ≤ 5% ，空载启动到额定转速时的转速超调量σ n ≤ 10% 。

查表可以知道应取K I TΣi = 0.25 。

因此KI = 0.25 0.25 = = 67.57 TΣi 0.0037 故相应的可以得到 ACR 的比例系数为K τ R 67.57 × 0.031× 0.14 Ki = I i = ≈ 0.444 75 × 0.0088 Ksβ 对于上述双闭环调速系统，两个调节器的作用如下：（1）转速调节器的作用：使转速 n 跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。

（2）电流调节器的作用：在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。

当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

相应的可以得到双闭环调速系统的动态模型如下：其中α 表示转速反馈系数，β 表示电流反馈系数。

根据相应的稳态要求可以得到* U n 10 α= = = 0.0267 nN 375
β= * * U im U im 10 = = = 0.00877 I dm λ I N 1.5 × 760。